上海外滩通道超大直径土压平衡盾构施工技术

建设大直径公路隧道成为解决城市中心区交通拥堵的一种趋势。超大直径盾构法隧道施工技术对盾构本身提出了全新要求。
上海外滩通道工程从天潼路至福州路段，为上下二层各三车道的圆形隧道，全长约为1098m，采用∅14.27m的土压平衡盾构施工。隧道结构外径13.95m，隧道的最小覆土厚度仅为8.52m，约为0.6D，属于浅覆土施工。2009年1月开始盾构施工(图1)，2010年3月底建成通车。


上海外滩通道盾构施工的成功，为超大直径盾构在城市中心区域安全应用奠定了基础。
1盾构选型和针对性设计
1）盾构需满足大开挖面稳定性的要求(图2、3、4)；
2）盾构需满足精确轴线控制要求(图5)；
3）盾构需满足高可靠性要求。










2外滩通道工程关键施工技术
1）开挖面稳定控制技术（图2、3、4）；
2）6点法同步注浆技术；
3）楔形管片错缝拼装技术；
4）长距离土方运输技术（皮带机出土）；
5）盾构浅覆土进洞技术（对加固区重点区域采用26根深度达28m的MJS桩进行加强加固；布设跟踪注浆孔，作为风险预案；在加固区周围布置Y1～Y6共6口降水井，施工过程中开启Y1、Y2和Y3井点，图6；实施二次进洞措施）。
3盾构穿越地面建筑物的关键施工技术
上海外滩历史保护建筑物众多，盾构沿途穿越浦江饭店、上海大厦、外白渡桥、外滩万国建筑群、北京东路、南京东路地道、上穿地铁二号线等建构筑物。这些建筑物大都采用钢筋混凝土筏板外加木桩的基础形式，历经半个多世纪的风雨之后，基础的整体性和强度减弱，造成了上部结构的不均匀变形、倾斜和开裂。在盾构穿越历史保护建筑群前，采取了超前保护措施（如对浦江饭店采用全套管灌注桩进行隔离施工，上海大厦采用跟踪注浆进行隔离帷幕施工）；在实际推进过程中，严格执行预先制定的控制方法，结合监测结果，随时对各项参数设置进行调整。
3.1土仓压力控制
本工程盾构在掘进过程中需要同时穿越2～3个不同性质的土层。推进时通过调节土仓压力来控制整个土仓和前方地层的压力平衡。在穿越历史保护建筑物前期，土仓压力按照静止土压力系数K0＝0.77设置，从监测结果来看，此压力设定值偏于保守，盾构穿越前后的地表大多呈隆起变形，最大隆起超过10mm，盾尾脱出的最大后期沉降则达到20mm。因此在穿越后期，盾构的土仓开始逐步微调至按照静止土压力系数K0＝0.75设置，之后的地表以及沿线建筑物的变形都有所减小。
3.2匀速推进控制
在穿越历史保护建筑群时，盾构以匀速推进，保证了盾构与周围地层的宏观动态力学平衡。前期推进过程中，在管片拼装、皮带机转接以及由于其他原因导致盾构停止推进时，土仓压力会由于推进千斤顶的微量回缩发生减小，停推时间过长，土仓压力会下降10～20kPa，这对于维持开挖面的稳定是十分不利的。因此“匀速推进”的关键不仅仅在于盾构操作人员对于盾构推进速度的控制，且在于减小由于机电故障、管片运输、及时出土等方面原因造成的非工序性停推。推进速度控制在20mm/min，防止速度过快引起土层应力突变而破坏建筑物结构。
3.3同步注浆控制
同步注浆的控制主要分为注浆量控制、注浆压力控制、浆液质量控制三个方面。本盾构采用六点注浆法进行同步注浆，推进过程中，同步注浆注浆率控制在120％左右，始终保持盾尾上下注浆量的比率为5.5∶4.5，左右比率为1∶1。在推进的同时随时对盾构姿态进行测量，计算出准确的盾尾间隙，结合地表沉降的情况随时对注浆量进行微调，注浆压力的大小需根据外界水土压力进行严格控制。
施工中每天对同步注浆浆液塌落度、抗剪切强度等质量控制参数进行检测，确保浆液的施工质量。
此外，为确保管路畅通，每个工作面和注浆管路每周清洗一次，同时对备用管路做好维护工作，固定浆桶和移动浆桶每月清洗2次。
3.4盾构姿态控制
严格控制盾构姿态，平面和高程偏差控制范围为±70mm；同时注意控制每环的纠偏量不要过大，尽量接近理论纠偏值，做到勤纠少纠。
3.5信息化监测指导施工
外滩历史保护建筑群穿越段设置了大量的地表沉降监测点和建筑物变形监测点，每一次测量成果都及时汇总给施工技术部门，以便于施工技术人员及时了解施工现状和相应区域地下管线变形情况，确定新的施工参数和注浆量等信息和指令，并传递给盾构推进面，使推进施工面及时作相应调整，最后通过监测确定效果，从而反复循环、验证、完善，确保隧道施工质量。在已穿越的建筑物中，建筑物的沉降和变形都已得到有效控制，从而确保历史保护建筑物的安全。
4超大直径土压平衡盾构在我国公路隧道的应用前景
到21世纪中叶，按保守估计，中国至少有20个城市为解决市中心区交通拥堵将逐步建成多平面多层次的城市高速交通网络，郊区以地面高架为主，进入市区后转入地下。通过地下高速隧道系统的建设，地下空间网络，地下步行道系统更加完善。比如上海将在市中心建立“井字形”通道方案（外滩通道即为此方案的一部分)，全线长40公里，其中地下26公里；北京提出在2020年以前修建四纵两横地下快速路网方案，缓解二、三环和长安街的交通拥挤。可以预见，超大直径土压平衡盾构在我国公路隧道的应用将越来越多。